Click here to load reader

aliaje,notiuni generale.pdf

  • View
    65

  • Download
    8

Embed Size (px)

DESCRIPTION

notiuni generale

Text of aliaje,notiuni generale.pdf

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    47

    Capitolul 2

    NOIUNI GENERALE DESPRE ALIAJE

    2.1. IntroducereAliajele sunt materiale metalice omogene la scar macroscopic, obinute

    n mod obinuit prin solidificarea unor faze lichide (topituri) care conin speciileatomice ale mai multor elemente chimice.

    Elementele chimice coninute n structura unui aliaj sunt denumitecomponentele aliajului. Orice aliaj are n compoziie un component principal(numit i component de baz) metalic i unul sau mai multe componentesecundare (numite i componente de aliere) metalice sau nemetalice.

    Totalitatea aliajelor alctuite din aceleai componente, luate n diferiteproporii, formeaz un sistem de aliaje. n funcie de numrul componentelor, aliajele i sistemele de aliaje pot fi:binare (cu dou componente), ternare (cu trei componente), cuaternare (cu patrucomponente) i polinare sau complexe (cu mai multe componente).

    Compoziia aliajelor se definete prin concentraiile masice sau atomiceale componentelor acestora (coninuturile procentuale masice sau atomice alecomponentelor). De exemplu, pentru un aliaj binar, avnd componentele A (cumasa atomic maA i valena vA) i B ( cu masa atomic maB i valena vB),compoziia se exprim prin:

    * concentraiile masice ale componentelor (%Am; %Bm):100

    MM A

    mA% = ; 100100 MM B

    mm A%B% == , (2.1)MA i MB fiind masele componentelor A i B corespunztoare unei mase M dealiaj (evident, M = MA + MB);

    * concentraiile atomice ale componentelor (%Aat; %Bat):100

    NANAA

    atA% = ; 100100 NANAB

    atat A%B% == , (2.2)

    NAA i NAB fiind numrul atomilor care alctuiesc masele MA i MB ale

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    48

    componentelor, iar NA - numrul total de atomi n aliaj (NA = NAA + NAB); ntreconcentraiile atomice i concentraiile masice ale componentelor aliajului binarexist relaiile:

    100B

    m

    A

    m

    A

    m

    at

    amB%

    amA%

    amA%

    A%+

    = ; 100B

    m

    A

    m

    B

    m

    at

    amB%

    amA%

    amB%

    B%+

    = (2.3)

    Pentru aliajul considerat se poate determina i concentraia electronic,definit ca fiind raportul dintre numrul total al electronilor de valen inumrul total al atomilor care alctuiesc masa M de aliaj; relaia de calcul aconcentraiei electronice a aliajului binar este:

    ( )BatAate vBvAC %%1001

    += (2.4)

    Sistemul reprezentat de un aliaj se gsete n stare de echilibru termodinamic(energia liber a sistemului este minim), dac componentele sale se distribuie nstructura aliajului, funcie de natura i intensitatea forelor de legtur interatomic i decondiiile de temperatur i presiune n care se afl aliajul, sub form de faze. Faza esteo parte structural omogen a unui aliaj, delimitat n structura aliajului prinsuprafee de separaie (interfee) i caracterizat prin proprieti fizico-chimicespecifice. Compoziiile fazelor din structura aliajelor se definesc i se exprim utilizndaceleai caracteristici ca i n cazul aliajelor: concentraiile masice sau atomice alecomponentelor i concentraia electronic.

    Natura, numrul i proporia fazelor existente la un moment dat nstructura unui aliaj definesc constituia aliajului (n condiiile de temperatur ipresiune n care acesta se afl la momentul respectiv).

    2.2. Fazele solide din structura aliajelor

    Tipul fazelor care alctuiesc structura unui aliaj aflat n stare solid estedeterminat de raportul forelor de atracie dintre atomii diverselor componente alealiajului. Fazele specifice structurii aliajelor solide sunt: soluiile solide, compuiichimici (compuii intermetalici) i metalele pure.

    2.2.1. Soluiile solideSoluiile solide se formeaz n structura unui aliaj atunci cnd forele de

    atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselor componente ale aliajului) suntsensibil egale cu forele de atracie dintre atomii identici (aparinnd aceluiai

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    49

    component); soluiile solide au structura cristalin corespunztoare unuia dincomponentele metalice ale aliajului i se caracterizeaz printr-o distribuientmpltoare (statistic) a atomilor componentelor aliajului n aceast structur.

    n orice soluie solid din structura unui aliaj, componentul metalic alaliajului (de obicei componentul de baz) care confer soluiei tipul structurii salecristaline i asigur mediul n care se distribuie celelalte componente este numitsolvent sau dizolvant, n timp ce oricare alt component care particip la formareasoluiei solide (cu atomii distribuii aleator n structura cristalin a solventului)este numit dizolvat sau solut. Soluiile solide se noteaz cu litere greceti sau prinindicarea simbolului chimic al solventului, urmat de simbolurile componentelorsolut nscrise ntre paranteze; de exemplu, Fe(C) reprezint o soluie solid lacare solventul este fierul alfa , iar componentul solut este carbonul, iar Cu(Ni,Zn) - o soluie la care solventul este cuprul, iar componentele dizolvatesunt nichelul i zincul).

    Dac componentele unui sistem de aliaje formeaz soluii solide oricaresunt rapoartele dintre coninuturile lor procentuale (rapoartele dintre concentraiilelor), se spune c aceste componente prezint solubilitate total n stare solid,iar dac componentele unui sistem de aliaje pot forma soluii solide numai cndrapoartele dintre concentraiile lor se afl n anumite intervale de valori, se spunec aceste componente au solubilitate parial (limitat) n stare solid.

    n funcie de poziiile n care sunt distribuii atomii componentelor solutn structura cristalin a componentului solvent, soluiile solide pot fi: soluiisolide de substituie (de nlocuire); soluii solide de ptrundere (interstiiale).

    2.2.1.1. Soluiile solide de substituie se caracterizeaz prin faptul catomii componentelor solut sunt distribuii n nodurile structurii cristaline acomponentului solvent (o parte din nodurile structurii cristaline a solventului suntocupate de atomii componentelor solut).

    n general, soluiile solide de substituie sunt neordonate, atomiicomponentelor solut fiind neuniform (statistic) distribuii n nodurile structuriicristaline a solventului (aa cum sugereaz schema din figura 2.1. a); altfel spus,soluiile solide de substituie i asigur, de obicei, stabilitatea termodinamicprintr-un grad ridicat de neuniformitate a distribuiei atomilor componentelorsolut, care le confer valori ridicate ale entropiei i niveluri minime ale energieilibere. Unele soluii solide de substituie ( neordonate la temperaturi nalte) adoptla temperaturi joase (sub o temperatur caracteristic, numit temperaturCurie-Kurnakov) o distribuie uniform (ordonat) a atomilor componentelorsolut n nodurile structurii cristaline a solventului (v. figura 2.1 b) i suntdenumite soluii solide ordonate sau faze Kurnakov. De exemplu, aliajelesistemelor Cu-Zn, Fe-Al, Fe-Si etc. prezint n structura la temperaturi nalte(cnd predomin rolul entropiei n determinarea strii cu energie liber minim)

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    50

    soluii solide neordonate, care, la temperaturi joase (sub temperatura Curie-Kurnakov), devin soluii solide ordonate (structura atinge starea de echilibru, cuenergia liber minim, adoptnd configuraii caracterizate prin valori sczute attpentru entropie, ct i pentru energia intern).

    Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide de substituieeste influenat de mai muli factori: a) tipul structurilor cristaline alecomponentelor; b) dimensiunile atomilor componentelor; c) diferena ntreelectronegativitile componentelor (diferena ntre capacitile de a atrageelectroni ale componentelor); d) diferena ntre valenele componentelor(care, aa cum arat relaia (2.4), determin mrimea concentraiei electronicea aliajului). Astfel, pentru ca dou componente s prezinte solubilitate totaln stare solid (s formeze soluii solide de substituie la orice raport alconcentraiilor lor), este necesar s fie ndeplinite urmtoarele condiii:

    * componentele trebuie s aib acelai tip de structur cristalin(componentele trebuie s fie izomorfe); de exemplu, cuprul i nichelul, avnd acelaitip de structur cristalin (CFC), prezint solubilitate total n stare solid i formeazo serie continu de soluii solide Cu(Ni) Ni(Cu), n timp ce cuprul i zincul,avnd structuri cristaline diferite (Cu - CFC, iar Zn - HC), prezint solubilitateparial n stare solid i formeaz soluia solid parial Cu(Zn);

    * componentele trebuie s aib dimensiuni (raze) atomice apropiate; s-aconstatat c dou componente metalice (avnd razele atomice rA i rB, rA > rB) potavea solubilitate total n stare solid dac diferena relativ a razelor lor atomice,definit cu relaia 100

    A

    BAr r

    rrd = , este mai mic dect 8 % ; dac diferena dr > 15 %,solubilitatea este parial, iar dac 8 % < dr < 15 %, solubilitatea poate fi total sauparial, funcie de gradul de ndeplinire al celorlalte condiii;

    * componentele trebuie s aib electronegativitate similar i o structurasemntoare a nveliului atomic de valen; ndeplinirea acestei condiii impune caelementele componente s aparin aceleiai grupe a sistemului (tabelului) periodic alelementelor (sau unor grupe adiacente).

    ndeplinirea simultan a tuturor condiiilor anterior formulate este dificil i,ca urmare, din cele aproximativ 1400 de sisteme de aliaje binare cu utilizare tehnic iindustrial, numai 60 de sisteme au componentele cu solubilitate total n stare solid.

    2.2.1.2. Soluiile solide interstiiale se caracterizeaz prin faptul catomii componentelor solut sunt distribuii n interstiiile (locurile libere) dinstructura cristalin a componentului solvent.

    Soluiile solide interstiiale sunt neordonate, atomii componentelor solutfiind neuniform (statistic) distribuii n interstiiile structurii cristaline asolventului, (aa cum sugereaz schema prezentat n figura 2.1. c).

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    51

    Fig. 2.1. Structura cristalin a soluiilor solide: a - soluii solide de substituie neordonate; b - soluii solide de substituie ordonate;

    c - soluii solide interstiialeUn component metalic (solvent) poate dizolva interstiial un alt component

    (solut) numai dac dimensiunile atomice ale solutului sunt asemntoaredimensiunilor interstiiilor din structura cristalin a solventului; deoarecedimensiunile interstiiilor din structurile cristaline ale metalelor sunt foarte mici,soluiile solide interstiiale au componentele solut nemetalice, dintre elementele cunumr mic de ordine n sistemul (tabelul) periodic al elementelor (caracterizate prindimensiuni atomice reduse): hidrogen, bor, carbon, azot, oxigen. Dizolvareainterstiial a unei componente solut determin apariia unor deformaii i distorsiuniale structurii cristaline a solventului i, ca urmare, capacitatea oricrei componente(metalice) solvent de a dizolva interstiial diverse componente solut este limitat(solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide interstiiale este parial).

    2.2.2. Compuii intermetalici (chimici) Compuii intermetalici (chimici) se formeaz n structura unui aliaj atunci

    cnd forele de atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselor componenteale aliajului) sunt mai mari dect forele de atracie dintre atomii identici(aparinnd aceluiai component) i exist tendina ca atomii unor componente sse nconjoare simetric cu atomii altor componente ale aliajului; legturile chimicedintre atomii componentelor care formeaz compui intermetalici pot fi de tipmetalic, covalent, ionic sau mixt.

    Compuii intermetalici se caracterizeaz prin:* structuri cristaline proprii (atomii componentelor care formeaz un compus

    intermetalic sunt distribuii n nodurile i/sau interstiiile structurii cristaline acompusului, care difer de obicei de structurile cristaline ale componentelor);

    * valori de baz strict definite (fixe) ale concentraiilor componentelor care

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    52

    i alctuiesc (valori constante ale rapoartelor stoechiometrice ale componentelor).Datorit acestor caracteristici, orice compus intermetalic are:

    * o formul chimic proprie; de exemplu, compuii intermetalici binari auformule chimice de tipul AnBm, n care indicii m i n, ataai simbolurilor chimiceale componentelor (A i B), sunt numere naturale;

    * proprieti fizico-chimice proprii, mult diferite, de obicei, deproprietile corespunztoare componentelor.

    Pentru caracterizarea complex a compuilor intermetalici se practicncadrarea lor n categorii, folosind diverse criterii.

    a) Dac se folosete drept criteriu de clasificare posibilitatea existeneicompuilor (ca faze unice ale aliajelor) la variaia concentraiilor componentelorn jurul valorilor de baz care le definesc compoziia, compuii intermetalici sencadreaz n dou categorii:

    * compui definii sau faze daltonide, care se formeaz i exist numai cndconcentraiile componentelor au valorile de baz (constante) caracteristice acestora;

    * compui de compoziie variabil sau faze bertholide, care se pot forma iexista i cnd concentraiile componentelor iau valori ntr-un interval (restrns) ceconine valorile de baz (constante) caracteristice acestora; deoarece se poateconsidera c aceti compui (avnd structur cristalin proprie) se comport ca nitecomponente solvent care pot dizolva (prin substituie sau interstiial) mici cantiti(suplimentare compoziiei de baz) din componentele ce intr n alctuirea lor, fazelebertholide sunt denumite i soluii solide pe baz de compui chimici.

    b) Dac se folosete drept criteriu de clasificare comportarea la topire,compuii intermetalici se ncadreaz n dou categorii:

    * compui cu topire congruent care se comport la topire (solidificare)la fel ca metalele pure: se topesc (se solidific) la o temperatur constant (ngeneral mai mare dect temperaturile de topire - solidificare ale componentelorcare i alctuiesc);

    * compui cu topire incongruent, care se descompun nainte de topire(ntr-un amestec de faze lichide i solide).

    c) Dac se utilizeaz drept criteriu factorul determinant al niveluluienergiei libere (factorul cu influen major asupra stabilitii termodinamice),compuii intermetalici se ncadreaz n trei categorii:

    * compui electrochimici (MgSe, PtAl2, ZnS, MnS, FeS, AuSn etc.), lacare factorul principal care le determin formarea i le asigur stabilitatea esteafinitatea electrochimic a componentelor; de obicei compuii electrochimici suntcompui definii, cu topire congruent, caracterizai prin legturi interatomiceionice sau covalente i structuri cristaline de tip cubic sau hexagonal;

    * compui geometrici, la care formarea i stabilitatea sunt determinateprimordial de existena anumitor rapoarte ntre dimensiunile atomice ale

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    53

    componentelor; n aceast categorie se situeaz trei tipuri de compui:- fazele Laves (MgCu2, MgZn2, MgNi2 etc.) - compui cu formula

    chimic AB2, care se formeaz ntre componente avnd raportul razelor atomice

    aB

    aArr

    = 1,225, raport ce asigur o mare compactitate a aranjamentului atomilorcomponentelor n structura cristalin (complex) a acestor compui;

    - fazele sigma (VFe, FeCr, MnCr etc.) - compui cu structurcristalin complex, care se formeaz ntre metalele de tranziie avnd diferenarelativ a razelor atomice mai mic dect 8 %;

    - fazele de ptrundere sau compuii interstiiali (Fe4N, Fe3C,TiC, VC, W2C etc.) - compui cu structur cristalin simpl sau complex, care seformeaz ntre metalele de tranziie i elementele chimice (nemetalice) cu razatomic mic: hidrogen, carbon, azot, bor etc.;

    * compui electronici (AgCd, AuCd, NiAl, AgZn, Cu31Sn8 etc.), la careformarea i stabilitatea sunt determinate de asigurarea unei anumite concentraiielectronice (formarea acestora are la baz tendina componentelor de a realiza ostructur cristalin comun, caracterizat printr-un nivel minim al energiei internea gazului electronic).

    2.2.3. Metalele pure Metalele pure pot fi faze ale structurii unui aliajatunci cnd forele de atracie dintre atomii diferii (aparinnd diverselorcomponente ale aliajului) sunt mai mici dect forele de atracie dintre atomiiidentici (aparinnd aceluiai component). Caracteristicile structurale ale metalelorpure au fost precizate n capitolul 1.

    2.3. Constituenii structurali (metalografici) ai aliajelorConstituenii structurali (metalografici) sunt prile care se evideniaz

    la examinarea microscopic a structurii aliajelor.Constituenii structurali ai aliajelor se ncadreaz n dou categorii: a)

    constitueni monofazici sau constitueni omogeni; b) constitueni multifazici(bifazici) sau constitueni eterogeni.

    a) Din categoria constituenilor monofazici fac parte soluiile solide,compuii itermetalici i metalele pure.

    b) Din categoria constituenilor multifazici (bifazici) fac parteamestecurile mecanice de faze de acelai tip sau de tipuri diferite, separatesimultan dintr-o faz lichid (topitur) sau dintr-o soluie solid.

    Procesul prin care se separ dintr-o faz lichid un amestec de faze solidese numete transformare eutectic, iar amestecul mecanic de faze rezultat dinacest proces este denumit eutectic.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    54

    Procesul prin care se separ dintr-o soluie solid un amestec de fazesolide se numete transformare eutectoid, iar amestecul mecanic de faze soliderezultat prin realizarea acestui proces este denumit eutectoid.

    Caracterizarea metalografic a diverilor constitueni structurali ai aliajelor(studierea aspectului constituenilor structurali ai aliajelor cu ajutorul microscopieimetalografice) face obiectul unei lucrri de laborator.

    2.4. Legea fazelor

    Strile aliajelor unui sistem de aliaje (privit ca un sistem termodinamic) suntinfluenate de o serie de factori externi (temperatura i presiunea) i interni (concentraiilecomponentelor sistemului n aliaje i n fazele care alctuiesc structura acestora).

    Numrul factorilor de influen externi i interni care se pot modifica fr a seschimba numrul fazelor care alctuiesc structura aliajelor unui sistem este denumitvariana sistemului sau numrul gradelor de libertate ale sistemului.

    ntre variana unui sistem V numrul componentelor acestuia k i numrulfazelor f ce coexist n structura sistemului (n condiii date privind temperatura ipresiunea) exist o relaie numit legea fazelor (Gibss), avnd urmtoarea formulareanalitic:

    V = k - f + 2 (2.5)n cazul n care presiunea este constant sau nu afecteaz sistemul (aa cum se

    ntmpl n marea majoritate a cazurilor la elaborarea, prelucrarea sau utilizarea aliajelor),ca factor extern de influen acioneaz numai temperatura i expresia analitic a legiifazelor este:

    V = k - f + 1 (2.6)Deoarece V 0, rezult condiia f k + 1 (numrul de faze din structura

    aliajelor unui sistem este mai mic sau cel mult egal cu numrul componentelorsistemului plus unu).

    Aplicnd (pentru exemplificare) legea fazelor n cazul unui sistem binar (cu k = 2componente), rezult urmtoarele situaii posibile:

    * k ==== 2; f ==== 3; V ==== 0; sistemul este invariant, prezentnd trei faze care potcoexista n echilibru numai dac temperatura i concentraiile componentelorsistemului nu se modific;

    * k ==== 2; f ==== 2; V ==== 1; sistemul este monovariant, prezentnd dou fazecare coexist n echilibru chiar dac se produc mici variaii ale temperaturii sauconcentraiilor componentelor;

    * k ==== 2; f ==== 1; V ==== 2; sistemul este bivariant, prezentnd o structurmonofazic chiar dac se produc modificri simultane ale temperaturii iconcentraiilor componentelor.

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    55

    2.5. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare

    2.5.1. Principiile reprezentrii i utilizrii diagramelor de echilibruProprietile aliajelor sunt dependente de compoziia lor chimic i, mai ales,

    de constituia fazic a acestora (natura, numrul i proporia fazelor care le alctuiescstructura). Pentru determinarea constituiei fazice a aliajelor n funcie de temperaturse folosesc diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje crora aparin acestea.

    Diagramele de echilibru sunt reprezentri grafice, n funcie detemperatur i compoziie chimic, ale domeniilor de stabilitate a fazelor nsistemele de aliaje. Pentru reprezentarea unei diagrame de echilibru este necesar unnumr de axe de coordonate egal cu numrul componentelor sistemului k (o axpentru temperatur i k-1 axe pentru valorile independente ale concentraiilorcomponentelor). Ca urmare, singurele diagrame de echilibru care pot fi reprezentaten plan i se pot analiza cu uurin sunt diagramele de echilibru ale sistemelor dealiaje binare, folosite (din aceste motive) ca instrumente de baz pentru studiereacaracteristicilor structurale ale aliajelor destinate aplicaiilor tehnice.

    Pe diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare, domeniile destabilitate a fazelor sunt separate prin linii de transformare fazic,corespunztoare unor transformri fazice de tip lichid - solid (cum ar fi:cristalizarea primar sau topirea , transformarea eutectic, descompunerea sauformare compuilor intermetalici cu topire incongruent) sau de tip solid - solid(cum ar fi: transformrile alotropice ale componentelor, modificrile n funcie detemperatur ale solubilitii componentelor, transformarea eutectoid, ordonareasoluiilor solide de substituie).

    La reprezentarea i utilizarea diagramelor de echilibru ale sistemelor dealiaje binare se aplic urmtoarele reguli:

    a) orice diagram are n ordonat temperatura, iar n abscisconcentraia (masic sau atomic) a unuia din componentele (A,B) caredefinesc sistemul (ntre concentraiile componentelor oricrui aliaj binarexist relaia %A + %B = 100 % i, ca urmare, orice abscis a diagrameidefinete complet compoziia unui aliaj al sistemului);

    b) o paralel la axa ordonatelor diagramei reprezint un aliaj alsistemului cu evoluia sa structural la diferite temperaturi; paralela la axaordonatelor corespunztoare unui aliaj al sistemului este denumit verticalaaliajului;

    c) pe orice linie de transformare fazic a diagramei coexist n echilibrutoate fazele din domeniile adiacente acesteia;

    d) o izoterm trasat ntr-un domeniu bifazic al diagramei intersecteaz

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    56

    liniile de transformare fazic ce mrginesc domeniul n puncte ale cror abscisedefinesc compoziiile celor dou faze care coexist n echilibru la temperaturacorespunztoare izotermei; aceast regul este denumit regula izotermei;

    e) o izoterm trasat ntr-un domeniu monofazic al diagrameiintersecteaz liniiile de transformare fazic ce mrginesc domeniul n puncte alecror abscise definesc limitele intervalelor de variaie a concentraiiilorcomponentelor pentru care faza din domeniul respectiv exist ca faz unic latemperatura corespunztoare izotermei.

    Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje se construiesc prin metodeteoretice (analitice) sau experimentale.

    n funcie de numrul liniilor de transformare fazic pe care le conin,diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare pot fi simple sau complexe.Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binare reale (utilizate n tehnic)sunt n general complexe; studierea i utilizarea lor este posibil, dac sedescompun n diagrame simple, de tipul celor prezentate n continuare.

    2.5.2. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binareale cror componente au solubilitate total

    att n stare lichid, ct i n stare solidSolubilitate total a componentelor unui sistem de aliaje binare se realizeaz

    dac cele dou componente sunt metalice i ndeplinesc condiiile precizate n scap.2.2. Dintre sistemele de aliaje reale care corespund acestor condiii se pot aminti:Ag-Au; Au-Cu; Au-Ni; Au-Pt; Cr-Mo; Cu-Ni; Cu-Pt; Nb-V; Ni-Pt; Ir-Pt.

    In structura aliajelor aparinnd sistemelor binare de acest tip pot exista doufaze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i soluia solidde substituie a componentelor A i B ale sistemului, notat A(B) B(A).Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare are configuraiaprezentat n figura 2.2. Analiznd diagrama rezult c aceasta conine doulinii de transformare fazic: linia deasupra creia toate aliajele sistemului seafl n stare lichid, numit linia lichidus i linia sub care toate aliajele dinsistem se afl n stare solid, numit linia solidus, iar punctele de intersecieale celor dou linii au ordonatele corespunztoare temperaturilor desolidificare (topire) ale componentelor A i B (notate n diagram tsA i tsB);cele dou linii de transformare fazic delimiteaz n spaiul diagramei treidomenii: dou domenii monofazice, unul coninnd faza lichid L i cellalt soluia solid i un domeniu bifazic, coninnd ambele faze (L+). Aplicndlegea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate: n domeniilemonofazice ale diagramei, k = 2; f = 1 i V = k - f + 1 = 2 (sistemul este bivariant),

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    57

    iar n domeniul bifazic i pe liniile de transformare fazic, cu excepia punctelor tsA itsB, k = 2; f = 2 i V = k - f + 1 = 1 (sistemul este monovariant), iar n punctele tsA i tsB,k = 1; f = 2 i V = k - f + 1 = 0 (sistemul este invariant).

    Diagrama de echilibru se poate utiliza cu uurin pentru a analizamodificrile de structur la rcirea sau nclzirea oricrui aliaj al sistemului. Deexemplu, pentru a analiza modificrile de structur la rcirea din stare lichid aunui aliaj, avnd compoziia (exprimat prin concentraiile masice sau atomice alecomponentelor): %A = a; %B = 100 - a, se traseaz pe diagram verticalacorespunztoare aliajului (verticala I n figura 2.2) i se marcheaz pe aceastatemperaturile caracteristice: t0 - temperatura iniial a aliajului lichid supus rcirii,t1 i t2 temperaturile corespunztoare punctelor de intersecie dintre verticalaaliajului i liniile lichidus i solidus ale diagramei i ta - temperatura ambiant;rezultatele analizei se prezint astfel:

    * la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul se afl n stare lichid(punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se afl n domeniul monofazic Lal diagramei); deoarece n domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menine nstare lichid pn la t1 (temperatura aliajului poate scdea pn la t1 fr a semodifica numrul fazelor care alctuiesc structura aliajului) i curba de rcire aaliajului (v. figura 2.3) este convex, avnd expresia analitic de forma(Newton), = qett 0 , q fiind o constant, iar t - temperatura aliajului dup untimp de la nceperea procesului de rcire;

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajului seafl pe linia lichidus, sunt create condiiile termodinamice de coexisten afazelor L i i poate fi demarat procesul de cristalizare primar a aliajului(transformarea fazei lichide L n cristale de soluie solid ); deoarece pe liniilelichidus i solidus i n domeniul bifazic L + V = 1, fazele L i pot coexistachiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalizarea primar seproduce la rcirea aliajului ntre t1 i t2; n timpul solidificrii aliajului se degajcldur (cldura latent de cristalizare), pierderile de cldur n exterior suntparial compensate i curba de rcie a aliajului este concav (v. figura 2.3);

    * la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primar este ncheiat istructura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid ; deoarece ndomeniul monofazic V = 2, aliajul i menine structura monofazic pn la ta(temperatura poate scdea de la t2 pn la ta fr a se modifica numrul fazelor dinstructura aliajului) i curba de rcire a aliajului (v. figura 2.3) este convex.

    Analiznd n detaliu procesul de cristalizare primar a aliajului consideratse poate constata c n cursul rcirii aliajului ntre t1 i t2 (temperaturile ntre careare loc cristalizarea primar) compoziiile fazelor ce coexist n echilibru semodific continuu; astfel, aplicnd regula izotermei, rezult (v. figura 2.2):

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    58

    * la temperatura t1 (temperatura la care ncepe cristalizarea primar),soluia lichid are compoziia corespunztoare aliajului (%A = a; %B = 100 - a),iar germenii cristalini de soluie solid au compoziia corespunztoare absciseipunctului Gc (%A = aG > a; %B = 100 - aG < 100 - a), adic sunt mai bogai ncomponenta mai greu fuzibil (A) i mai sraci n componenta mai uor fuzibil(B) dect aliajul;

    Fig. 2.2 Diagrama de echilibru a sistemelor de aliajebinare ale cror componente au solubilitate total att

    n stare lichid, ct i n stare solidFig. 2.3 Curba de rcire a aliajului Ii fazele corespunztoare structurilor

    la diferite temperaturi

    * la o temperatur tx (t1;t2), compoziia soluiei lichide corespundeabscisei punctului Lx (%A = aLx < a; %B = 100 aLx > 100 a), iarcompoziia soluiei solide corespunde abscisei punctului Gx ( %A = aGx < aG;%B = 100 aGx > 100 aG);

    * la temperatura t2 (temperatura la care se sfrete cristalizarea primar),soluia lichid are compoziia corespunztoare punctului Ls (%A = aL < aLx < a ;%B = 100 - aL > 100 - aLX > 100 - a ), adic este mai srac n componenta maigreu fuzibil (A) i mai bogat n componenta mai uor fuzibil (B) dect aliajul,iar ultimele formaiuni cristaline de soluie solid care apar au compoziiacorespunztoare aliajului (%A = a; %B = 100 a).

    Aceste rezultate conduc la urmtoarele concluzii:- n timpul cristalizrii primare a aliajului considerat (n intervalul de

    temperaturi t1 - t2), compoziia soluiei lichide variaz dup curba lichidus (ntreabscisele corespunztoare punctelor t1 i Ls), iar compoziia soluiei solide carese formeaz variaz dup curba solidus (ntre abscisele corespunztoare punctelorGc i t2);

    - cristalele de soluie solid care se formeaz n procesul de cristalizare

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    59

    primar sunt neomogene i prezint aspectul numit segregaie dendritic, adicau axele dendritice (formate la nceputul solidificrii) bogate n componentul maigreu fuzibil (A) i srace n componentul mai uor fuzibil (B) i zonele marginale(formate spre sfritul solidificrii) srace n componentul mai greu fuzibil (A) ibogate n componentul mai uor fuzibil (B).

    Ultima concluzie este valabil numai dac aliajul este rcit cu vitez preamare n intervalul de solidificare (nu sunt realizate integral condiiile de echilibrutermodinamic la toate nivelurile de temperatur din intervalul t1 - t2). Dac rcireaaliajului n intervalul de solidificare se face foarte lent, se creaz condiiile deuniformizare prin difuzie a compoziiei chimice i formaiunile de soluie solid existente la orice temperatur tx (t1;t2) vor avea n toat masa lor compoziiacorespunztoare strii de echilibru (compoziia corespunztoare abscisei punctuluiGx, situat la intersecia izotermei tx cu linia solidus a diagramei de echilibru). naceast situaie sunt realizate continuu condiiile de echilibru interfazic n timpulprocesului de cristalizare primar i structura aliajului dup solidificare esteformat din cristale de soluie solid omogen .

    Diagrama de echilibru se poate utiliza i pentru stabilirea datelor necesaredeterminrii coninuturilor (cantitilor) procentuale de faze ale structurii unuialiaj la o anumit temperatur. Evident, n intervalul de temperaturi n careverticala aliajului considerat traverseaz un domeniu monofazic al diagramei,problema determinrii coninuturilor procentuale de faze ale structurii aliajuluieste banal (aliajul conine n proporie de 100 % cristalele fazei din domeniultraversat, iar compoziia cristalelor este identic cu cea corespunztoarealiajului). Pentru a prezenta modul n care se pot determina coninuturileprocentuale de faze ale structurii unui aliaj a crei vertical traverseaz undomeniu bifazic al diagramei de echilibru, se consider aliajul anterior analizat itemperatura tx din intervalul de solidificare al acestuia (v. figura 2.2). La tx, omas m de aliaj, cu compoziia (exprimat prin concentraiile masice alecomponentelor): %A = a; %B = 100 a , este alctuit din dou faze: o mas mLde soluie lichid L, cu compoziia: %A = aLx; %B = 100 aLx i o mas m desoluie solid , cu compoziia: %A = aGx; %B = 100 aGx i, ca urmare, se pot daformulri analitice urmtoarelor condiii:

    - suma maselor celor dou faze care alctuiesc structura este egal cumasa aliajului:

    mL + m = m; (2.7)- suma maselor de component A din cele dou faze care alctuiesc

    structura este egal cu masa corespunztoare componentului A n aliaj:mLaLx + maGx = ma. (2.8)

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    60

    nmulind cu 0100 m

    fiecare din relaiile (2.7) i (2.8), se obine urmtorulsistem de dou ecuaii, avnd ca necunoscute %L i %, coninuturile procentuale(masice) de faze n structura la tx a aliajului analizat: %L + % = 100 ;

    %LaLx + %aGx = 100a; (2.9)prin rezolvarea sistemului (2.9) se obin soluiile:

    100LxGx

    Gxaa

    aaL%

    = ; % = 100 %L = 100LxGx

    Lxaa

    aa

    . (2.10)Analiznd relaiile (2.10) se pot face urmtoarele observaii:* deoarece a, aLx i aGx sunt abscisele punctelor tx, Lx i Gx marcate pe

    diagrama de echilibru din figura 2.2, relaiile se pot scrie i sub forma:

    (2.11)

    care sugereaz o modalitate operativ de determinare a coninuturilor procentualede faze la tx, cunoscut sub numele de regula segmentelor inverse;

    Fig. 2.4 Diagrama structural (Tammann) afazelor la temperatura tx.

    Fig. 2.5 Variaia cu temperatura a coninutuluide faze n aliajul cu %A = a

    * coninuturile procentuale de faze la tx sunt n dependen liniar cucompoziia aliajului (exprimat prin concentraia componentului A al aliajuluiconsiderat %A = a).

    Ultima observaie se utilizeaz la construirea unor diagrame structuralede faze i/sau constitueni (numite i diagrame Tammann), la orice temperaturtx, pentru un sistem de aliaje binare. De exemplu, pentru sistemul de aliaje analizatdiagrama structural de faze la tx, avnd pe axa absciselor compoziia aliajelorsistemului i pe axa ordonatelor coninuturile procentuale de faze ale structuriialiajelor sistemului, are configuraia prezentat n figura 2.4.

    Folosind datele prezentate anterior, se pot determina coninuturileprocentuale de faze i/sau constitueni, pentru orice aliaj al sistemului i orice

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    61

    temperatur i se poate ataa fiecrui aliaj al sistemului o diagram de variaie aconinuturilor procentuale de faze i/sau constitueni n funcie detemperatur. De exemplu, pentru aliajul analizat (avnd %A = a i %B = 100 - a)diagrama de variaie cu temperatura a coninuturilor procentuale de faze (L i )este prezentat n figura 2.5.

    2.5.3. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binarecu componentele complet solubile n stare lichid,insolubile n stare solid, cu transformare eutectic

    n structura aliajelor aparinnd sistemelor binare de acest tip pot existatrei faze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i doufaze solide, componentele (metalele) pure A i B ale sistemului. Dintre sistemelede aliaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip se pot exemplifica Bi-Cd,Al-Sn, Al-Ge, Be-Si.

    Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare areconfiguraia prezentat n figura 2.6. Analiznd diagrama rezult c aceastaconine dou linii de transformare fazic, linia deasupra creia toate aliajelesistemului se afl n stare lichid, numit linia lichidus i linia (dreapta, izoterma)sub care toate aliajele din sistem se afl n stare solid, numit linia (dreapta)solidus, iar punctele de intersecie dintre linia lichidus i cele dou verticale cedelimiteaz spaiul diagramei au ordonatele corespunztoare temperaturilor desolidificare (topire) ale componentelor A i B (notate n diagram tsA i tsB);deoarece cele dou linii de transformare fazic au comun punctul E, spaiuldiagramei conine patru domenii: un domeniu monofazic, coninnd faza lichidL i trei domenii bifazice: L + A; L + B i A + B. Aplicnd legea fazelor pentruacest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate: n domeniile monofazic aldiagramei, k = 2; f = 1 i V = k f + 1 = 2 (sistemul este bivariant), n domeniilebifazice i pe linia lichidus, cu excepia punctelor E, tsA i tsB, k = 2; f = 2 iV = k f + 1 = 1 (sistemul este monovariant), pe dreapta solidus (inclusiv punctulE), k = 2; f = 3 i V = k f + 1 = 0 (sistemul este invariant), iar n punctele tsA itsB, k = 1; f = 2 i V = k f + 1 = 0 (sistemul este, de asemenea, invariant).

    Particularitile formrii structurilor la aliajele aparinnd acestui sistem sepot evidenia analiznd modificrile de structur la rcirea din stare lichid a unuialiaj, avnd compoziia (exprimat prin concentraiile masice sau atomice alecomponentelor): %A = a; %B = 100 a. Pe verticala corespunztoare aliajului,trasat i notat cu I pe diagrama din figura 2.6, sunt marcate temperaturilecaracteristice: t0 - temperatura iniial a aliajului lichid supus rcirii, t1 i t2temperaturile corespunztoare punctelor de intersecie dintre verticala aliajului i

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    62

    liniile lichidus i solidus ale diagramei i ta - temperatura ambiant; rezultateleanalizei se prezint astfel:

    * la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul se afl n stare lichid(punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se afl n domeniul monofazic L aldiagramei); deoarece n domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menine n starelichid pn la t1 (temperatura aliajului poate scdea pn la t1 fr a se modificanumrul fazelor care alctuiesc structura aliajului) i curba de rcire a aliajului(v.figura 2.7) este convex, avnd expresia analitic de forma (Newton),

    =

    qett 0 , q fiind o constant, iar t - temperatura aliajului dup un timp de lanceperea procesului de rcire;

    Fig. 2.6 Diagrama de echilibru a sistemelor dealiaje binare cu componentele complet solubile n

    stare lichid, insolubile n stare solid, cutransformare eutectic

    Fig. 2.7 Curba de rcire a aliajului cu %A = a,i structura acestuia la diferite temperaturi

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajului seafl pe linia lichidus, sunt create condiiile termodinamice de coexisten a fazelor Li A i este demarat procesul de formare a unor cristale de A din soluia lichid L;deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + A, V = 1, fazele L i A potcoexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de A seformeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; n timpul formriicristalelor de A se degaj cldur (cldura latent de cristalizare), pierderile decldur n exterior sunt parial compensate i curba de rcie a aliajului este concav(v. figura 2.7); aplicnd regula izotermei, se constat c formarea cristalelor de Adetermin modificarea compoziiei fazei lichide L (micorarea concentraieicomponentului A n faza lichid) dup segmentul t1E al liniei lichidus;

    * la atingerea temperaturii t2, ce corespunde dreptei (izotermei) solidus,V = 0, iar soluia lichid L are compoziia corespunztoare punctului E

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    63

    (concentraiile componentelor n soluia lichid sunt date de abscisa punctului E:%A = e; %B = 100 e); n aceste condiii se produce transformarea:

    L (A + B); (2.12)innd seama de datele prezentate n scap. 2.3, rezult c transformarea ce are locla temperatura t2 i const din formarea simultan din soluia lichid L a cristalelorcomponentelor A i B este o transformare eutectic, iar amestecul mecanic defaze solide (A + B) este un eutectic; deoarece transformarea eutectic sedesfoar la temperatur constant, pe curba de rcire a aliajului analizat apareun palier (v. figura 2.7);

    * sub temperatura t2, rcirea aliajului se produce fr modificri structuralei curba de rcire este convex (v.figura 2.7); la orice temperatur t < t2 (deci i lata) structura aliajului este alctuit din: a) faze: A i B; b) constitueni: A, separatsub form de cristale nainte de producerea transformrii eutectice (separatpreeutectic) i eutecticul (A + B).

    Fig. 2.8 Diagrama structural (Tammann) afazelor i a constituenilor la temperatura ta.

    Fig. 2.9 Variaia cu temperatura a coninuturilorde faze i de constitueni n aliajul cu %A = a

    Structura oricrui aliaj al sistemului se poate stabili, efectund analizatransformrilor sale structurale la rcirea din stare lichid, la fel ca n cazul aliajuluianterior considerat. Pe aceast baz se poate constata c, innd seama de structura pecare o prezint n stare solid, aliajele sistemului se pot ncadra n trei categorii:

    * aliaj eutectic, cu compoziia corespunztoare punctului E (%A = e;%B = 100 e) i structura (n stare solid) alctuit dintr-un singur constituent:eutecticul (A + B);

    * aliaje hipoeutectice, cu %A < e (verticalele corespunztoare acestor aliaje

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    64

    sunt situate n diagrama de echilibru la stnga puntului E) i structura (n staresolid) alctuit din doi constitueni: B (separat preeutectic) i eutecticul (A+B);

    * aliaje hipereutectice, cu %A > e (verticalele corespunztoare acestoraliaje sunt situate n diagrama de echilibru la dreapta puntului E) i structura (nstare solid) alctuit din doi constitueni: A (separat preeutectic) i eutecticul (A+B).

    Folosind principiile i metodele prezentate n scap. 2.5.2, se pot construipentru sistemul de aliaje analizat diagramele structurale de faze i constitueni laorice temperatur; de exemplu, diagramele structurale corespunztoaretemperaturii ambiante sunt prezentate n figura 2.8. De asemenea, pentru oricealiaj al sistemului, se pot construi diagramele de variaie cu temperatura aconinuturilor procentuale de faze i constitueni; de exemplu, n figura 2.9 suntprezentate aceste diagrame pentru aliajul anterior analizat (aliajul cu %A = a)

    2.5.4. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, parial solubile

    n stare solid, cu transformare eutecticn structura aliajelor aparinnd sistemelor binare de acest tip pot exista

    trei faze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i doufaze solide, soluiile solide pariale ale componentelor sistemului, notate A(B)- soluie solid avnd ca solvent componentul A - i B(A) - soluie solidavnd ca solvent componentul B. Dintre sistemele de aliaje reale care corespundacestui tip se pot exemplifica: Cd-Zn, Pb-Sn, Pb-Sb.

    Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare are configuraiaprezentat n figura 2.10. Analiznd diagrama rezult c aceasta conine patru linii detransformare fazic: linia lichidus tsBEtsA, deasupra creia toate aliajele sistemului seafl n stare lichid, linia solidus tsBMENtsA, sub care toate aliajele sistemului se afln stare solid i liniile MP, NQ, numite linii solvus, de variaie cu temperatura asolubilitilor reciproce ale componentelor A i B i, n consecin, de variaie cutemperatura a compoziiei soluiilor solide i . Liniile de transformare fazicdelimiteaz n spaiul diagramei 6 domenii: 3 domenii monofazice: L, i i treidomenii bifazice: L + , L + , + . Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem dealiaje, se obin urmtoarele rezultate: n domeniile monofazice ale diagramei, V = 2(sistemul este bivariant), n domeniile bifazice i pe liniile de transformare fazic, cuexcepia segmentului izoterm MEN al liniei solidus i punctelor tsA, tsB, V = 1(sistemul este monovariant), iar pe segmentul MEN i n punctele tsA, tsB, V = 0(sistemul este invariant).

    Particularitile formrii structurilor la aliajele aparinnd acestui sistem se

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    65

    pot evidenia analiznd transformrile la rcirea din stare lichid ale aliajelormarcate pe diagrama de echilibru prin verticalele I, II i III.

    Aliajul I se analizeaz la fel ca aliajele aparinnd sistemelor binare alecror componente sunt complet solubile att n stare lichid, ct i n stare solid(v. aliajul I discutat n scap.2.5.2); pe baza analizei rezult c aliajul I are n staresolid o structur monofazic, alctuit numai din cristale de soluie solid .

    Aliajul II sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:* la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L, V = 2,

    aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuia esteconvex;

    Fig. 2.10 Diagrama de echilibru asistemelor de aliaje binare cu

    componentele complet solubile nstare lichid, parial solubile n stare

    solid, cu transformare eutectic

    Fig. 2.11 Curba de rcire aaliajului II i structura sa la

    diferite temperaturi

    Fig. 2.12 Curba de rcire aaliajului III i structura sa la

    diferite temperaturi

    * ntre t1 i t2 se produce cristalizarea primar a aliajului, din soluialichid L formndu-se cristale de soluie solid ; n timpul procesului decristalizare primar se degaj cldura latent de solidificare, pierderile de cldurn exeterior sunt parial compensate i curba de rcire a aliajului este concav;

    * la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primar este ncheiati structura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid ; deoarecen domeniul , V = 2, la rcirea n intervalul de temperaturi t2 t3 aliajul imenine structura monofazic , iar curba sa de rcire este convex;

    * sub temperatura t3, concentraia componentului B al aliajului depeteconinutul procentual de B care poate fi dizolvat de soluia solid i, ca urmare,componenta B n exces ( care nu poate fi dizolvat n ) se separ sub form desoluie solid (bogat n componentul B), numit faz secundar i notat

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    66

    (pentru a o deosebi de soluia solid care, la alte aliaje ale sistemului, seformeaz la cristalizarea primar, din soluia solid L, i este numit faz primar i notat ); separarea soluiei solide este nsoit de o degajare de clduri, ca urmare, curba de rcire a aliajului este concav.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sintetic decurba de rcire prezentat n figura 2.11, aliajul analizat are structura la ta ( sub t3)alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: i .

    Aliajul III sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:* la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul este n stare lichid; deoarece

    n domeniul monofazic L, V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iarcurba de rcire a acestuia este convex;

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajului seafl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i i estedemarat procesul de formare a unor cristale de soluie solid din faza lichid L;deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + , V = 1, fazele L i potcoexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de seformeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formarea cristalelor de este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire a aliajului este concav)i de o variaie (descresctoare) a concentraiei componentului A n faza lichid Ldup linia t1E ;

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2(corespunztoare segmentului izoterm MEN al liniei solidus) concentraiacomponentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului E i suntndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii eutectice:

    LE (N + M); (2.13)deoarece pe segmentul izoterm MEN al curbei solidus, V = 0, transformareaeutectic se produce la temperatur constant i curba de rcire a aliajului are unpalier la t2;

    Fig. 2.13 Diagramele structurale (Tammann) pentru faze i constitueni la temperatura ta alesistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n stare lichid, parial solubile n

    stare solid, cu transformare eutectic

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    67

    * sub t2, solubilitile reciproce ale componentelor corespunztoarefazelor i se micoreaz continuu (dup liniile solvus NQ i MP) iarcomponentele A i B n exces se separ sub form de faze secundare i ;deoarece formaiunile cristaline ale fazelor secundare au tendina de depunere pefazele de acelai tip preexistente, n structura microscopic a aliajului apare cafaz secundar distinct numai ; procesul de separare a fazelor secundare estensoit de o degajare de cldur i curba de rcire a aliajului este concav.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sintetic decurba de rcire prezentat n figura 2.12, aliajul analizat va avea structura la ta(sub t2) alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: (format preeutectic),eutectic ( + ) i faz secundar (dispus intercristalin n masa fazeipreeutectice ).

    Aplicnd principiile i metodele prezentate anterior (v. scap.2.5.2) se potconstrui diagramele structurale (de faze i constitueni), la orice temperaturpentru sistemul de aliaje binare analizat; de exemplu, diagramele structuralecorespunztoare temperaturii ambiante sunt prezentate n figura 2.13.

    2.5.5. Diagrama de echilibru a sistemelor de aliaje binarecu componentele complet solubile n stare lichid,

    parial solubile n stare solid, cu transformare peritecticn structura aliajelor aparinnd sistemelor binare de acest tip pot exista

    trei faze: soluia lichid a componentelor A i B ale sistemului, notat L i doufaze solide, soluiile solide pariale ale componentelor sistemului, notate A(B)- soluie solid avnd ca solvent componentul A - i B(A) - soluie solidavnd ca solvent componentul B. Dintre sistemele de aliaje reale care corespundacestui tip se pot exemplifica: Pt - Ag, Co-Re, Co-Ru, Pt-W.

    Diagrama de echilibru a unui astfel de sistem de aliaje binare areconfiguraia prezentat n figura 2.14. Analiznd diagrama rezult c aceastaconine patru linii de transformare fazic: linia lichidus tsBNtsA, deasupra creiatoate aliajele sistemului se afl n stare lichid, linia solidus tsBMPtsA, sub caretoate aliajele sistemului se afl n stare solid i liniile MQ, PF, numite liniisolvus, de variaie cu temperatura a solubilitilor reciproce ale componentelor Ai B i, n consecin, de variaie cu temperatura a compoziiei soluiilor solide i. Liniile de transformare fazic delimiteaz n spaiul diagramei 6 domenii: 3domenii monofazice: L, i i trei domenii bifazice: L + , L + , + .Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje, se obin urmtoarele rezultate:n domeniile monofazice ale diagramei, V = 2 (sistemul este bivariant), n domeniile

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    68

    bifazice i pe liniile de transformare fazic, cu excepia segmentului izoterm MPNal liniei solidus i punctelor tsA, tsB, V = 1 (sistemul este monovariant), iar pesegmentul MPN i n punctele tsA, tsB, V = 0 (sistemul este invariant).

    Particularitile formrii structurilor la aliajele aparinnd acestui sistem sepot evidenia analiznd transformrile la rcirea din stare lichid ale aliajelormarcate pe diagrama de echilibru prin verticalele I, II, III i IV.

    Aliajul I se analizeaz la fel ca aliajele aparinnd sistemelor binare alecror componente sunt complet solubile att n stare lichid, ct i n stare solid(v. aliajul I discutat n scap.2.5.2); pe baza analizei rezult c aliajul I are n staresolid o structur monofazic, alctuit numai din cristale de soluie solid .

    Aliajul II se analizeaz la fel ca aliajul II aparinnd sistemelor binare alecror componente sunt complet solubile att n stare lichid, parial solubile nstare solid, cu transformare eutectic, prezentat n scap.2.5.4; pe baza analizeirezult c aliajul II are structura la ta (sub t3) alctuit din: a) faze: i ;b) constitueni: i .

    Fig. 2.14 Diagrama de echilibru a sistemelorde aliaje binare cu componentele completsolubile n stare lichid, parial solubile nstare solid, cu transformare peritectic

    Fig. 2.15 Curba de rcirea aliajului III, i structurasa la diferite temperaturi

    Fig. 2.16 Curba de rcirea aliajului IV, i structurasa la diferite temperaturi

    Aliajul III sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:* la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,

    V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire aacestuia este convex;

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajuluise afl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i ieste demarat procesul de formare a unor cristale de soluie solid din fazalichid L; deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + , V = 1, fazeleL i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    69

    de se formeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formareacristalelor de este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire aaliajului este concav) i de variaii (descresctoare) ale concentraiilorcomponentului B n L (dup linia t1N) i n (dup linia tsBM);

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2(corespunztoare segmentului izoterm MPN al liniei solidus) concentraiacomponentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului N,concentraia componentului A n soluia solid corespunde abscisei punctuluiM i sunt ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii:

    L N + M P; (2.14)deoarece pe segmentul izoterm MPN al curbei solidus, V = 0, transformarea seproduce la temperatur constant i curba de rcire a aliajului are un palier lat2; transformarea (2.14) ncepe prin formarea unui perete cristalin de soluiesolid pe interfaa dintre cristalele de soluie solid i faza lichid L,continu (dup formarea peretelui despritor de ntre fazele i L) prinngroarea peretelui cristalin de , ca urmare a transferrii prin difuzie acomponentelor A i B ntre fazele reactante i L i se sfrete cnd una dinfazele reactante este epuizat (n cazul aliajului analizat, faza ); datoritacestor particulariti de desfurare transformarea (2.14) este denumittransformare peritectic (reacie pe perete);

    * ntre t2 i t3, procesul de cristalizare primar al aliajului estedefinitivat, faza lichid rmas la sfritul transformrii peritecticesolidificndu-se sub form de cristale de soluie solid ; procesul este nsoitde o degajare de cldur i curba de rcire a aliajului este concav;

    * la atingerea temperaturii t3 procesul de cristalizare primar estencheiat i structura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid ; deoarece n domeniul , V = 2, la rcirea n intervalul de temperaturi t3 t4aliajul i menine structura monofazic , iar curba sa de rcire este convex;

    * sub temperatura t4, concentraia componentului B al aliajuluidepete coninutul procentual de B care poate fi dizolvat de soluia solid i, ca urmare, componentul B n exces (care nu poate fi dizolvat n ) sesepar sub form de faz secundar (bogat n componentul B); separareasoluiei solide este nsoit de o degajare de cldur i, ca urmare, curbade rcire a aliajului este concav.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sinteticde curba de rcire prezentat n figura 2.15, aliajul analizat va avea structurala ta (sub t4) alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: i .

    Aliajul IV sufer la rcirea din stare lichid urmtoarele transformri:* la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    70

    V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire aacestuia este convex;

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajuluise afl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i ieste demarat procesul de formare a unor cristale de soluie solid din fazalichid L; deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + , V = 1, fazeleL i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalelede se formeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formareacristalelor de este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire aaliajului este concav) i de variaii (descresctoare) ale concentraiilorcomponentului B n L (dup linia t1N) i n (dup linia tsBM);

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2(corespunztoare segmentului izoterm MPN al liniei solidus) concentraiacomponentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului N,concentraia componentului A n soluia solid corespunde abscisei punctuluiM i sunt ndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii peritectice(2.14); deoarece pe segmentul izoterm MPN al curbei solidus, V = 0,transformarea peritectic se produce la temperatur constant (curba dercire a aliajului are un palier la t2) i se termin cnd este epuizat faza lichidL (aliajul este complet solidificat);

    Fig. 2.17 Diagramele structurale (Tammann) pentru faze i constitueni latemperatura ta ale sistemelor de aliaje binare cu componentele complet solubile n

    stare lichid, parial solubile n stare solid, cu transformare peritectic * sub t2, solubilitile reciproce ale componentelor corespunztoarefazelor i se micoreaz continuu (dup liniile solvus PF i MQ), iarcomponentele A i B n exces se separ sub form de faze secundare i ,ambele vizibile ca faze distincte n structura aliajului.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior i evideniate sintetic decurba de rcire prezentat n figura 2.16, aliajul analizat va avea structura la ta(sub t2) alctuit din: a) faze: i ; b) constitueni: (format preperitectic),

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    71

    (rezultat din reacia peritectic), (dispus intercristalin n masa fazei ) i (dispus intercristalin n masa fazei ).

    Aplicnd principiile i metodele prezentate anterior (v. scap.2.5.2) se potconstrui diagramele structurale (de faze i constitueni), la orice temperaturpentru sistemul de aliaje binare analizat; de exemplu, diagramele structuralecorespunztoare temperaturii ambiante sunt prezentate n figura 2.17.

    2.5.6. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binareale cror componente au solubilitate total n stare lichid,

    sunt insolubile sau parial solubile n stare solidi formeaz compui intermetalici

    n aceast categorie se ncadreaz mai multe tipuri de sisteme dealiaje, difeniate prin solubilitatea reciproc a componenetelor n stare solidi prin tipul compuilor intermetalici formai de componente: faze daltonidesau faze bertholide; compui cu topire congruent sau compui cu topireincongruent.

    Diagramele de echilibru ale acestor sisteme de aliaje binare se potanaliza cu uurin, deoarece pot fi descompuse n diagrame simple, de tipulcelor prezentate anterior.

    Principalele tipuri de diagrame de echilibru ale sistemelor de aliajebinare ce se ncadreaz n aceast categorie sunt prezentate n continuare.

    2.5.6.1. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cruicomponente A i B sunt insolubile n stare solid i formeaz compusuldefinit (faz daltonid) cu topire congruent AnBm are configuraiaprezentat n figura 2.18; o astfel de diagram poate fi descompus ndiagrame simple de tipul studiat n scap. 2.5.3. Dintre sistemele de aliajebinare reale ce pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica:Ag-Ba; Ag-Ce; Ag-Li; Ag-Sr; Al-Se; Au-Ce, Ce-Sn. Diagramele structurale (de faze iconstitueni) pentru sistemele de aliaje binare de acest tip, corespunztoaretemperaturii ambiante, sunt prezentate n figura 2.19.

    2.5.6.2. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cruicomponente A i B sunt parial solubile n stare solid i formeazcompusul definit (faz daltonid) cu topire congruent AnBm areconfiguraia prezentat n figura 2.20. Dintre sistemele de aliaje binare realece pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica: Fe-As; Mg-Ca; Cr-Pd;Fe-Zr. Diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele dealiaje binare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, suntprezentate n figura 2.21.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    72

    2.5.6.3. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cruicomponente A i B sunt parial solubile n stare solid i formeazcompusul cu compoziie variabil (faz bertholid), cu topire congruent,AnBm, are configuraia prezentat n figura 2.22; o astfel de diagram poate fidescompus n diagrame simple de tipul studiat n scap. 2.5.4. Dintre sistemele dealiaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip, se pot exemplifica: Al-Li; Al-Pd; Ga-Mg. Diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele dealiaje binare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt prezentaten figura 2.23.

    Fig. 2.18. Diagrama de echilibru a unui sistembinar ale crui componente sunt insolubile nstare solid i formeaz un compus definit cu

    topire congruent

    Fig. 2.19. Diagramele structurale (de faze iconstitueni) pentru sistemele de aliaje binare

    din fig. 2.18.

    Fig. 2.20. Diagrama de echilibru a unui sistembinar ale crui componente sunt parial solubilen stare solid i formeaz un compus definit

    cu topire congruent

    Fig. 2.21. Diagramele structurale (de faze iconstitueni) pentru sistemele de aliaje binare

    din fig. 2.20.

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    73

    2.5.6.4. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cruicomponente A i B sunt insolubile n stare solid i formeaz compusuldefinit (faz daltonid) cu topire incongruent AnBm are configuraiaprezentat n figura 2.24. Dintre sistemele de aliaje binare reale ce pot ficonsiderate de acest tip, se pot exemplifica: Al-Ni; Al-Th; Au-Sb; Ba-Mg; Ce-Co.Diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele de aliaje binare deacest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt prezentate n figura 2.25. Particularitile formrii compusului intermetalic cu topire incongruent,AnBm, se pot evidenia analiznd modificrile de structur la rcirea din starelichid ale aliajului marcat n diagrama de echilibru prin verticala I.

    * la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire a acestuiaeste concav;

    Fig. 2.22. Diagrama de echilibru a unui sistembinar ale crui componente sunt parial solubile

    n stare solid i formeaz un compus cucompoziie variabil i topire congruent

    Fig. 2.23. Diagramele structurale (de faze iconstitueni) pentru sistemele de aliaje binare

    din figura 2.22.

    Fig. 2.24. Diagrama de echilibru a unui sistembinar ale crui componente sunt insolubile nstare solid i formeaz un compus definit cu

    topire incongruentFig. 2.25. Diagramele structurale (de faze i

    constitueni) pentru sistemele de aliaje binaredin figura 2.24.

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    74

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajului seafl pe linia lichidus, sunt create condiiile de coexisten a fazelor L i A i estedemarat procesul de formare a unor cristale de component A din faza lichid L;deoarece pe linia lichidus i n domeniul bifazic L + A, V = 1, fazele L i A potcoexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare, cristalele de A seformeaz din L pe parcursul rcirii aliajului ntre t1 i t2; formarea cristalelor de Aeste nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire a aliajului este concav) i devariaia (descresctoare) a concentraiei componentului A n L (dup linia t1M );

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t2(corespunztoare segmentului izoterm MPN al liniei solidus) concentraiacomponentului A n faza lichid L corespunde abscisei punctului M i suntndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii (de tip peritectic):

    L M + A AnBm; (2.15)deoarece pe segmentul izoterm MPN, V = 0, formarea compusului intermetalicAnBm prin reacia de tip peritectic (2.15) se produce la temperatur constant(curba de rcire a aliajului are un palier la t2) i se termin cnd este epuizat fazalichid L (aliajul este complet solidificat);

    * sub t2, aliajul se rcete fr a suferi modificri structurale i curba sa dercire este convex.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior, aliajul analizat va aveastructura la ta (sub t2) alctuit din: a) faze: A i AnBm; b) constitueni: A i AnBm.

    Trebuie remarcat c, dac se face nclzirea aliajului, la atingereatemperaturii t2, se produce transformarea (2.15) n sens invers:

    AnBm L M + A ; (2.16)datorit acestui mod de comportare la nclzire (descompunerea n dou fazenainte de topire), compusul AnBm este denumit compus cu topire incongruent.

    2.5.7. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje binareale cror componente au solubilitate total n stare lichid

    i prezint (n stare solid) transformri alotropicen astfel de sisteme de aliaje binare, un component sau ambele

    componente prezint transformri alotropice. n aceast categorie se ncadreazmai multe tipuri de sisteme de aliaje, difereniate prin solubilitatea reciproc (nstare solid) a modificaiilor componenetelor.

    Diagramele de echilibru ale acestor sisteme de aliaje binare se pot analizacu uurin, deoarece configuraia lor poate fi reprodus prin suprapunerea unordiagrame simple, de tipul celor prezentate anterior.

    Principalele tipuri de diagrame de echilibru ale sistemelor de aliaje binare

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    75

    ce se ncadreaz n aceast categorie sunt prezentate n continuare.2.5.7.1. Diagrama de echilibru a unui sistem binar la care

    componentul A are dou modificaii (stri alotropice) A, stabil latemperaturi joase i A, stabil la temperaturi ridicate, ambele modificaiifiind insolubile n componentul B al sistemului, are configuraia prezentat nfigura 2.26. Pentru a analiza aliajele unui astfel de sistem trebuie avute n vedereurmtoarele aspecte:

    * n diagrama de echilibru, tsBEtsA este linia lichidus, MEN este linia(izoterma) solidus, iar PtcA este izoterma corespunztoare punctului critic detransformare n stare solid a componentului A tcA (temperatura la care se producetransformarea alotropic AA); pe linia PtcA, V = 0 i, ca urmare, la orice aliajdin sistem transformarea alotropic a componentului A se produce la temperaturconstant;

    * diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele de aliajebinare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt prezentate nfigura 2.27 i sunt asemntoare diagramelor sistemului de aliaje binare analizatn scap. 2.5.3.

    Fig. 2.26. Diagrama de echilibru a unui sistembinar la care componentul A are dou

    modificaii (stri alotropice), ambele modificaiifiind insolubile n componentul B al sistemului

    Fig. 2.27. Diagramele structurale (de faze iconstitueni) pentru sistemele de aliaje binare

    din fig. 2.26

    2.5.7.2 Diagrama de echilibru a unui sistem binar la care componentulA are dou modificaii (stri alotropice) A, stabil la temperaturi joase i A,stabil la temperaturi ridicate, ambele modificaii fiind solubile ncomponentul B al sistemului, are configuraia prezentat n figura 2.28. Dintresistememle de aliaje binare reale ce pot fi considerate de acest tip se potexemplifica: Ti-Mo, Ti-V, Fe-Ni, Co-Pd. Pentru a analiza aliajele unui astfel desistem trebuie avute n vedere urmtoarele aspecte:

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    76

    * modificaia A i componentul B formeaz soluia solid total A(B) B(A) i, ca urmare, modificaia A i componentul B nu pot formadect o soluie solid parial A(B);

    * diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele de aliajebinare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, sunt prezentate nfigura 2.29 i sunt asemntoare cu diagramele structurale (la tx) ale sistemului dealiaje binare analizat n scap. 2.5.2.

    Fig. 2.28. Diagrama de echilibru a unui sistembinar la care componentul A are dou

    modificaii (stri alotropice), ambele modificaiifiind solubile n componentul B

    Fig. 2.29. Diagramele structurale (de faze iconstitueni) pentru sistemele de aliaje binare

    din figura 2.28

    2.5.7.3. Diagrama de echilibru a unui sistem binar ale cruicomponente A i B au modificaiile A i B, stabile la temperaturi joase iinsolubile i modificaiile A i B, stabile la temperaturi ridicate i completsolubile, are aspectul prezentat n figura 2.30. Dintre sistemele de aliaje binarereale ce pot fi considerate de acest tip se pot exemplifica: Ti-Fe, Mo-Zr.

    Particularitile formrii structurilor la aliajele unui sistem de acest tipse pot evidenia analiznd modificrile de structur la rcirea din stare lichidale aliajului marcat n diagrama de echilibru prin verticala I:

    * la t0 aliajul este n stare lichid; deoarece n domeniul monofazic L,V = 2, aliajul se menine n stare lichid pn la t1, iar curba de rcire aacestuia este convex;

    * la atingerea temperaturii t1 ncepe cristalizarea primar a aliajului,cu formarea din soluia lichid L a cristalelor de soluie solid (soluiasolid total a modificaiilor izomorfe A i B ale componentelor sistemului, A(B) B(A)), proces care continu pe parcursul rcirii aliajului ntret1 i t2; formarea cristalelor de este nsoit de o degajare de cldur icurba de rcire a aliajului este concav;

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    77

    * ntre t2 i t3 aliajul se rcete fr a suferi transformri structurale icurba sa de rcire este convex;

    * la atingerea temperaturii t3, din soluia solid ncep s aparformaiuni cristaline ale modificaiei A; deoarece n domeniul bifazic + A, V = 1, procesul de formare a fazei A continu n tot timpul rciriialiajului ntre t3 i t4 i este nsoit de o degajare de cldur (curba de rcire aaliajului este concav) i de micorarea concentraiei n componentul A asoluiei solide (dup linia t3E);

    Fig. 2.30. Diagrama de echilibru a unui sistembinar la care componentul A are dou

    modificaii (stri alotropice), ambele modificaiifiind solubile n componentul B

    Fig. 2.31. Diagramele structurale (de faze iconstitueni) pentru sistemele de aliaje binare

    din figura 2.30

    * datorit transformrii anterioare, la atingerea temperaturii t4(corespunztoare izotermei MEN din diagrama de echilibru) concentraiacomponentului A n soluia solid corespunde abscisei punctului E i suntndeplinite condiiile pentru desfurarea transformrii:

    E (A + B); (2.17)innd seama de datele prezentate n scap. 2.3, rezult c transformarea ce areloc la temperatura t4 i const din formarea simultan din soluia solid acristalelor modificaiilor A i B este o transformare eutectoid, iaramestecul mecanic de faze solide (A + B) este un eutectoid; deoarece peizoterma MEN, V = 0, transformarea eutectoid decurge la temperaturconstant i pe curba de rcire a aliajului apare un palier;

    * sub t4, aliajul se rcete fr a suferi modificri structurale i curbasa de rcire este convex.

    Datorit modificrilor structurale descrise anterior, aliajul analizat vaavea structura la ta ( sub t4) alctuit din: a) faze: A i B; b) constitueni:A (separat preeutectoid) i eutectoid (A + B).

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    78

    Diagramele structurale (de faze i constitueni) pentru sistemele dealiaje binare de acest tip, corespunztoare temperaturii ambiante, suntprezentate n figura 2.31 i sunt asemntoare diagramelor sistemului dealiaje binare analizat n scap. 2.5.3 (numai c n locul eutecticului (A + B)apare eutectoidul (A + B)).

    2.6. Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare

    n multe aplicaii tehnice se utilizeaz aliaje aparinnd unor sisteme ternare(cu trei componente); pentru a stabili constituia fazic a unor astfel de aliaje (natura,numrul i proporia fazelor care le alctuiesc structura) n funcie de temperatur sefolosesc diagramele sistemelor de aliaje ternare crora aparin acestea.

    Diagramele de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare se reprezint subforma unor machete sau modele tridimensionale, avnd ca baze triunghiuriechilaterale. Triunghiul echilateral ce reprezint baza diagramei de echilibru aunui sistem de aliaje ternare este denumit triunghiul concentraiilor i arenscrise n vrfuri simbolurile chimice ale celor trei componente ale sistemului,iar de-a lungul laturilor concentraiile (masice sau atomice), ale acestorcomponente.

    La utilizarea diagramelor de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare seaplic urmtoarele reguli privind triunghiul concentraiilor:

    a) orice punct din interiorul triunghiului concentraiilor definete compoziiaunui aliaj al sistemului ternar; de exemplu, aa cum se poate observa n figura 2.32,care reprezint triunghiul concentraiilor pentru un sistem de aliaje ternare cucomponentele A, B i C, punctul M definete aliajul avnd %A = a; %B = b ; %C = c(evident , %A + %B + %C = a + b + c = 100);

    b) punctele din interiorul triunghiului concentraiilor aparinnd uneidrepte paralele cu o latur a triunghiului definesc compoziiile unui grup dealiaje avnd aceeai concentraie a componentului nscris n vrful opus laturiicu care dreapta dat este paralel; de exemplu, aa cum se poate observa nfigura 2.32, punctele aparinnd segmentului PQ , paralel cu latura BC, opusvrfului A, corespund grupului de aliaje ternare avnd %A = a = ct.;

    c) punctele din interiorul triunghiului concentraiior aparinndunei ceviene a acestuia (dreapt ce trece prin unul din vrfurile triunghiului)definesc compoziiile unui grup de aliaje avnd acelai raport al concentraiilorcomponentelor nscrise n vrfurile prin care nu trece ceviana; de exemplu , sepoate demonstra cu uurin c, n triunghiul concentraiilor reprezentat n figura2.32, punctele aparinnd cevienei AD (care conine vrful A, dar nu trece prin

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    79

    vrfurile B i C), corespund grupului de aliaje ternare avnd .ctcb

    C%B%

    == .

    Pentru a construi diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje ternare setraseaz triunghiul concentraiilor (cu care se pot defini compoziiile aliajelorsistemului), se nscrie temperatura pe o ax perpendicular pe planul triunghiuluiconcentraiilor i, n sistemul de coordonate astfel realizat, se reprezint domeniile destabilitate ale fazelor, delimitate prin linii i/sau suprafee de transformare fazic.

    La utilizarea diagramelor deechilibru ale sistemelor de aliajeternare se aplic urmtoarele reguli:

    a) o perpendicular pe planultriunghiului concentraiilor (avndpiciorul n interiorul triunghiului)reprezint un aliaj al sistemului cuevoluia sa structural la diferitetemperaturi; perpendiculara pe planultriunghiului concentraiilor corespun-ztoare unui aliaj al sistemului estedenumit (ca i n cazul sistemelor dealiaje binare) verticala aliajului;

    b) liniile i/sau punctele deintersecie dintre suprafeele i/sau

    liniile unei diagrame ternare i un plan perpendicular pe planul triunghiuluiconcentraiilor i paralel cu una din laturile acestuia, definesc diagrama deechilibru a unui grup de aliaje ternare avnd aceeai concentraie acomponentului nscris n vrful opus laturii triunghiului concentraiilor cucare planul de secionare este paralel; diagrama de echilibru care se obineprintr-o astfel de secionare (cu configuraia asemntoare diagramelor deechilibru ale sistemelor de aliaje binare) este denumit diagrampseudobinar;

    c) liniile i/sau punctele de intersecie dintre suprafeele i/sau liniileunei diagrame ternare i un plan izoterm (paralel cu planul triunghiuluiconcentraiilor), definesc diagrama fazic a sistemului de aliaje ternare latemperatura corespunztoare planului izotem de secionare.

    Pentru a evidenia modul n care se pot utiliza regulile prezentate anteriorla analiza diagramelor de echilibru ale sistemelor de aliaje ternare se considercazul unui sistem ternar la care componentele sunt complet solubile att n starelichid, ct i n stare solid; exemple de sisteme reale de aliaje ternare cecorespund acestui caz sunt Cu-Au-Ni sau Au-Cu-Pt.

    Fig. 2.32. Triunghiul concentraiilor pentru unsistem de aliaje de ternare

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    80

    n structura aliajelor aparinndsistemelor ternare de acest tip pot existadou faze: soluia lichid acomponentelor A, B, C ale sistemului,notat L i soluia solid de substituie acomponentelor sistemului, notat A(B,C) B(A,C) C(A,B). Diagramade echilibru a unui astfel de sistem dealiaje ternare are configuraia prezentatn figura 2.33. Analiznd diagramarezult c aceasta conine dou suprafeede transformare fazic, suprafaadeasupra creia toate aliajele sistemuluise afl n stare lichid, numit suprafalichidus i suprafaa sub care toatealiajele din sistem se afl n stare solid,numit suprafaa solidus, iar punctelecomune celor dou suprafee detransformare fazic au ordonatelecorespunztoare temperaturilor desolidificare (topire) ale componentelor A,B, C (notate n diagrama tsA, tsB, tsC); celedou suprafee de transformare fazic

    delimiteaz n spaiul diagramei trei domenii: dou domenii monofazice, unulconinnd faza lichid L i cellalt - soluia solid i un domeniu bifazic L + .Aplicnd legea fazelor pentru acest sistem de aliaje se obin urmtoarelerezultate: n domeniile monofazice ale diagramei, V = k f + 1 = 3 1 + 1 = 3(sistemul este trivariant), n domeniul bifazic i pe suprafeele de transformarefazic, V = k f + 1 = 3 2 + 1 = 2 (sistemul este bivariant), iar n punctele tsA,tsB, tsC, V= k f + 1 = 1 2 + 1 = 0 (sistemul este invariant). Diagrama de echilibruse poate utiliza cu uurin pentru a analiza modificrile de structur la rcirea sau nclzireaoricrui aliaj al sistemului. De exemplu, pentru a analiza modificrile de structur la rcireadin stare lichid a unui aliaj, avnd compoziia (exprimat prin concentraiile masice sauatomice ale componentelor): %A = a; %B = b; %C = c = 100 a b, se traseaz pediagram verticala corespunztoare aliajului (verticala I n figura 2.33, ceintersecteaz triunghiul concentraiilor n punctul M) i se marcheaz pe aceastatemperaturile caracteristice: t0 - temperatura iniial a aliajului lichid supus rcirii, t1i t2 temperaturile corespunztoare punctelor de intersecie dintre verticala aliajuluii suprafeele lichidus i solidus ale diagramei i ta - temperatura ambiant;rezultatele analizei se prezint astfel:

    Fig. 2. 33. Diagrama de echilibru fazic a unuisistem de aliaje ternare n care componeniisunt complet solubili att n stare lichid,

    ct i n stare solid

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    81

    * la t0, cnd ncepe procesul de rcire, aliajul se afl n stare lichid(punctul cu ordonata t0 de pe verticala aliajului se afl n domeniul monofazicL al diagramei); deoarece n domeniul monofazic L, V = 3, aliajul se meninen stare lichid pn la t1 (temperatura aliajului poate scdea pn la t1 fr ase modifica numrul fazelor care alctuiesc structura aliajului) i curba dercire a aliajului este convex;

    * la atingerea temperaturii t1, punctul ce caracterizeaz starea aliajului seafl pe suprafaa lichidus, sunt create condiiile termodinamice de coexisten afazelor L i i poate fi demarat procesul de cristalizare primar a aliajului(transformarea fazei lichide L n cristale de soluie solid ); deoarece pesuprafeele lichidus i solidus i n domeniul bifazic L + , V = 2, fazele L i pot coexista chiar dac se modific temperatura i, ca urmare,cristalizarea primar se produce la rcirea aliajului ntre t1 i t2; n timpulsolidificrii aliajului se degaj cldur (cldura latent de cristalizare),pierderile de cldur n exterior sunt parial compensate i curba de rcie aaliajului este concav;

    Fig. 2.34. Diagram pseudobinar din sistemulde aliaje a crui diagram este prezentat n figura 2.33, obinut pentru %A = ct.

    Fig. 2.35. Diagram fazic pentru t = ct asistemului a crui diagram este prezentat

    n figura 2.33.

    * la atingerea temperaturii t2 procesul de cristalizare primar estencheiat i structura aliajului este alctuit numai din cristale de soluie solid, omogen; deoarece n domeniul monofazic , V = 3, aliajul i meninestructura monofazic pn la ta (temperatura poate scdea de la t2 pn lata fr a se modifica numrul fazelor din structura aliajului) i curba dercire a aliajului este convex.

    Aliajele sistemului ternar pot fi analizate i pe diagrame pseudobinare(obinute prin secionarea diagramei ternare cu plane perpendiculare peplanul triunghiului concentraiilor i paralele cu una din laturile acestui

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    82

    triunghi) sau pe diagrame fazice la diverse temperaturi (obinute prinsecionarea diagramei ternare cu plane izoterme). Pentru exemplificare, nfigura 2.34 se prezint o diagram pseudobinar care conine aliajul analizatanterior, iar n figura 2.35 - diagrama fazic corespunztoare uneitemperaturi tx (v. fig. 2.33).

    Cuvinte cheie

    aliaj, 47componentele aliajelor, principal (de baz), dealiere, 47compus chimic/intermetalic, cu topirecongruent, cu topire incongruent, 52compus cu compoziie variabil/fazbertholid,52compus definit/faz daltonid, 52compus electrochimic, 52compus electronic, 53compus geometric, 52concentraie, masic, atomic, electronic, 47constituent structural, monofazic, multifazic, 53diagram de echilibru, 55diagram pseudobinar, 79diagrame structurale (Tammann), de faze, deconstitueni, 60eutectic, 53, 63eutectoid, 54, 78faz, 48faz secundar, 65legea fazelor (Gibbs), 54

    linia lichidus, 56linia solidus, 56linia solvus, 64linii de transformare fazic, 55regula izotermei, 56regula segmentelor invers, 60segregaia dendritic, 59sistem de aliaje, 47solubilitate total, parial, 49solut, 49soluie solid, de substituie, interstiial, 49soluie solid omogen, 59solvent, 49suprafa lichidus, 80suprafa solidus, 80transformare peritectic, 69transformare eutectic, 53, 63transformare eutectoid, 54, 77triunghiul concentraiilor, 78varian, 54verticala aliajului, 55, 79

    Bibliografie

    1. Colan H. s.a., Studiul metalelor, Editura Didactic i Pedagogic,Bucuresti, 1983

    2. Flinn A. R., Trojan K. P., Engineering materials and their applications,Houghton Mifflin Company, Dallas Geneva, Illinois, 1986

    3. Gdea S., Petrescu M., Metalurgie fizic i studiul metalelor, vol. I,Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1979

    4. Geru N., Metalurgie fizic, Editura Didactic i Pedagogic, Bucuresti, 1981

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    83

    5. Geller Yu. A., Rakhshtadt A. G., Science of materials, Editura MIR,Moscova, 1981

    6. Lakhtine I., Mtallographie et traitements thermiques des mtaux, EdituraMIR, Moscova,1978

    7. * * * Manualul inginerului metalurg, vol. I, Editura Tehnic, Bucureti,1978

    8. Protopopescu H., Metalografie i tratamente termice, Editura Didactic iPedagogic, Bucuresti, 1983

    9. Saban R. s.a., Studiul si ingineria materialelor, Editura Didactic iPedagogic, Bucuresti, 1995

    10. Shackelford F. J., Introduction to materials science for engineers,Macmillan Publishing Company, New York, 1991

    11. Smithells C. J., Metals Reference Book vol.1, Butterworths ScientificPublications, London 1955

    12. Van Vlack L. H., Elements of Materials Science and Engineering,Addison-Wesley Reading, Massachusetts, 1989

    Teste de autoevaluare

    T.2.1. Care din urmtoarele elemente chimice pot fi componentele debaz ale unui aliaj: a) Fe; b) C; c) Mn; d) Zn; e) H; f) N?

    T.2.2. Care din urmtoarele aliaje aparin aceluiai sistem de aliaje:a) aliajul cu %Snm = 20 % i %Cum = 80 %; b) aliajul cu %Snm = 30 % i%Sbm = 70 %; c) aliajul cu %Snm = 10 % i %Cum = 90 %; d) aliajul cu%Snm = 5 % i % Cum = 95 %; e) aliajul cu %Snm = 20 %; %Cum = 75 % i%Sbm = 5 %?

    T.2.3. Soluiile solide se formeaz n structura unui aliaj atunci cnd;a) toate componentele aliajului sunt metale; b) forele de legtur dintreatomii diferii sunt mai mari dect forele de legtur dintre atomii identici;c) forele de legtur dintre atomii diferii sunt sensibil egale cu forele delegtur dintre atomii identici; d) forele de legtur dintre atomii identicisunt mai mari dect forele de legtur dintre atomii diferii?

    T.2.4. Se consider urmtoarele perechi de componente: a) Fe i Al;b) Fe i C; c) Cu i Ni; d) Al i Cu; e) Fe i N. Care dintre aceste perechiformeaz: 1) soluii solide de substituie; 2) soluii solide de ptrundere?

    T.2.5. Solubilitatea componentelor care formeaz soluii solide desubstituie este influenat de: a) dimensiunile atomilor componentelor; b)temperatura de solidificare - topire a componentelor; c) tipul structuriicristaline a componentelor; d) diferena dintre valenele componentelor?

  • ELEMENTE DE TIINA I INGINERIA MATERIALELOR

    84

    T.2.6. Soluiile solide interstiiale se caracterizeaz prin: a) distribuieordonat a atomilor; b) componente solut cu numr mic de ordine n tabelulperiodic al elementelor; c) reea cristalin tensionat si distorsionat prindizolvarea atomilor componentelor solut; d) solubilitate total a componentelor?

    T.2.7. Compuii chimici (intermetalici) se formeaz n structura unui aliajatunci cnd; a) toate componentele aliajului sunt metale; b) forele de legturdintre atomii diferii sunt mai mari dect forele de legtur dintre atomii identici;c) forele de legtur dintre atomii diferii sunt sensibil egale cu forele de legturdintre atomii identici; d) forele de legtur dintre atomii identici sunt mai maridect forele de legtur dintre atomii diferii?

    T.2.8. Compuii chimici (intermetalici) din structura aliajelor secaracterizeaz prin: a) reea cristalin asemntoare cu cea a componentuluimetalic de baz; b) valori de baz strict definite ale concentraiilorcomponentelor; c) proprieti fizico-chimice apropiate de ale componentelor;d) formul chimic proprie?

    T.2.9. Compuii chimici (intermetalici) din structura aliajelor seclasific dup: a) comportarea la topire; b) tipul fazelor pe care le conin;c) factorul determinant al nivelului energiei libere; d) valena componentelor?

    T.2.10. Concentraia electronic a unui aliaj binar reprezint: a) raportuldintre valenele componentelor; b) raportul dintre numrul total al electronilor devalen i numrul total de electroni dintr-o mas M dat de aliaj; c) raportuldintre numrul total al electronilor de valen i numrul total de atomi carealctuiesc o mas M de aliaj; d) raportul dintre numrul atomilor componentuluide baz i numrul total de atomi care alctuiesc o mas M de aliaj?

    T.2.11. Care din urmtoarele proprieti corespund concentraiei electronice aunui aliaj: a) este un numr ntreg mai mare sau egal cu 1; b) este un numr realsubunitar; c) este un numr real strict mai mare dect 1; c) este un numr real maimare sau egal cu 1?

    T.2.12. Aplicnd legea fazelor, s se demonstreze c urmtoareletransformri decurg la temperatur constant: a) transformarea eutectic a aliajelorbinare; b) cristalizarea primar a compuilor definii cu topire congruent;c) transformarea eutectoid a aliajelor binare; d) cristalizarea primar a metalelorpure; e) transformarea alotropic a metalelor.

    T.2.13. Pe diagrama de echilibru a unui sistem de aliaje binare suntprecizate numai fazele din domeniile monofazice. Folosind regula izotermei, s seelaboreze o metodologie cu care s se poat determina fazele din domeniilebifazice ale diagramei de echilibru i s se aplice aceast metodologie pentrufiecare din tipurile de diagrame de echilibru studiate n scap. 2.5.

  • Capitolul 2 Noiuni generale despre aliaje

    85

    AplicaiiA.2.1. S se stabileasc relaiile dintre concentraiile masice i

    concentraiile atomice ale componentelor, pentru: a) aliajele binare; b) aliajelepolinare.

    Rezolvarea) Se consider o mas M dintr-un aliaj binar cu componentele A1 i A2.

    Dac se noteaz MA1 , MA2 masele corespunztoare componentelor care alctuiescmasa M de aliaj, se pot defini concentraiile masice ale componentelor, curelaiile (v. scap. 2.1.): 10011 M

    M AmA% = ; 100100 212 M

    M Amm A%A% ==

    Dac masa M de aliaj conine NA atomi, iar NAA1, NAA2 reprezint numrulatomilor componentelor A1 i A2 n aceasta, se pot defini concentraiile atomiceale componentelor, cu relaiile (v. scap. 2.1):

    10011 NANAA

    atA% = ; 100100 212 NANAA

    atat A%A% == .

    Dac A1 i A2 au masele atomice maA1, maA2, atomii componentelorvor avea masele

    A

    aAatA N

    mm 11 = , A

    aAatA N

    mm 22 = , NA fiind numrul lui Avogadro

    (NA = 6,0221023); pe acast baz, rezult 11

    11

    1aA

    AA

    atA

    AA m

    MmM NNA == ,

    2

    2

    2

    22

    aA

    AA

    tA

    AA m

    M

    amM NNA == i relaiile de definire a concentraiilor atomice ale

    componentelor aliajului devin:

    1002

    2

    11

    11

    1

    aA

    A

    aA

    A

    aA

    A

    at

    mM

    mM

    mM

    A%+

    = ; 1002

    2

    11

    2

    2

    2

    aA

    A

    aA

    A

    aA

    A

    at

    mM

    mM

    mM

    A%+

    = .

    Combinnd aceste relaii cu relaiile de definire a concentraiilor masice alecomponentelor aliajului, rezult:

    1002

    2

    11

    11

    1

    aA

    m

    aA

    m

    aA

    m

    at

    mA%

    mA%

    mA%

    A%+

    = ; 1002

    2

    11

    2

    2

    2

    aA

    m

    aA

    m

    aA

    m

    a